Metilazione

Il terminemetilazioneè usato in chimica per definire l'addizione o la sostituzione di un gruppometilesu varisubstrati.Si tratta di un termine comunemente utilizzato in chimica,biochimica,e scienze biologiche.

In chimica organica, la metilazione si riferisce nello specifico alla sostituzione di un atomo diidrogenocon il gruppo metile.

Nei sistemi biologici, la metilazione è catalizzata daenzimi;tale metilazione può essere coinvolta nella modifica dei metalli pesanti, nella regolazione dell'espressione genicae della funzionalità proteica, oltre che nel metabolismo dell'RNA. La metilazione dei metalli pesanti può avvenire anche al di fuori dei sistemi biologici.

Metilazione biologica

Epigenetica

La metilazione che contribuisce all'ereditàepigeneticapuò avvenire attraverso lametilazione del DNAo delle proteine.

Lametilazione del DNAnei vertebrati avviene tipicamente neisiti CpG(citosina-fosfato-guanina; che si ha ove lacitosinaè direttamente seguita da unaguaninanella sequenza del DNA); tale metilazione risulta nella conversione della citosina in5-metilcitosina.La formazione del Me-CpG è catalizzata dall'enzimaDNA metiltransferasi.I siti CpG sono poco comuni nelgenomadegli invertebrati mentre sono spesso trovati con maggior densità nei promoter genici dei vertebrati, in cui sono collettivamente denominatiisole CpG.Lo stato di metilazione di questi siti CpG può avere un grave impatto sull'attività/espressione genica.Nei mammiferi sono state riconosciute vari tipi di DNA metiltrasferasi: DNMT3A e DNMT3B, metiltransferasi de novo indispensabili per stabilire nuovi pattern di metilazione sul DNA non metilato; DNMT1, DNA metiltransferasi di mantenimento, fondamentali nel mantenere i pattern di metilazione durante la replicazione in quanto sono in grado di metilare filamenti di DNA emimetilati; DNMT2, che ha una un'attività minima e DNMT3L, una DNA metiltrasferasi associata all'attività di DNMT3A e DNMT3B.

Il pattern di metilazione delDNAnell'Ippocampoè responsivo all'ambiente anche negli individui adulti e gli eventi di metilazione-demetilazione giocano un ruolo fondamentale nella memoria e nei processi di apprendimento. È plausibile pensare che il grado di metilazione del DNApossa cambiare nel corso della vita e rappresenti il mezzo attraverso il quale l'ambiente può plasmare il genomae influenzare ilfenotipo.

Lametilazione delle proteine,invece, si manifesta nello specifico attraverso la modificazione chimica delle proteine istoniche (H2A, H2B, H3 e H4) che contribuiscono a formare la caratteristica struttura cilindrica, attorno cui si avvolge ilDNA,dando luogo a quello che viene definito comenucleosoma. Questo evento, ha solitamente luogo sui residuiamminoacidicidiargininaolisinanella sequenza proteica. L'arginina può essere metilata una (arginina monometilata) o due volte, con entrambi i gruppi metile su un terminale azoto (arginina dimetilata asimmetrica) o uno su entrambi gli azoti (arginina dimetilata simmetrica) dallapeptidilarginina metiltransferasi(PRMTs). La lisina può essere metilata una, due o tre volte dallalisina metiltransferasi.Il trasferimento del gruppo metile dall'S-adenosil metioninaagli istoni è catalizzato da enzimi noti comeistone metiltransferasi,che catalizzano tale modificazione chimica più frequentemente a livello degli istoni H3 ed H4. Gli istoni che sono metilati su certi residui possono agire epigeneticamente per reprimere o attivare l'espressione genica. La metilazione proteica è un tipo dimodificazione pre-trascrizionale.

Metilazione ed espressione genica

La metilazione reprime l'espressione genica, determinando una maggiore compattazione tra DNA e istoni.

L'evento che è alla base delle modificazioniepigenetichedelgenomaè lametilazione.Le modificazioni apportate, da specifici enzimi, sulDNAe sulleproteine,contribuiscono a definire specifici marker, ereditabili dalla generazione parentale alle successive, che contraddistinguono un individuo da un altro. In base alle tipologie di modificazioni epigenetiche infatti, due individui che hanno lo stessogenotipo,sono differenti in alcuni aspetti, come ad esempio la predisposizione allo sviluppo di specifiche patologie. Tali eventi si esplicano in seguito alla modificazione della compattazione deinucleosomia formare lacromatina;un evento particolarmente frequente è l'azione dellametiltrasferasi,codificata dal geneSu(Var)3-9,che agisce andando ad aggiungere un gruppometilea livello dellalisina9 dell'istone H3. Questo tipo di modificazione, richiama il legame di particolari proteine, molto frequentementeenzimidella classe delle deacetilasi, che rimuovono i gruppiacetiledalle code amminoacidiche che protrudono dagli istoni; in questo modo, la mancanza di gruppi acetile, determina un aumento delle cariche positive sulle code istoniche, evento questo, che sfocia nella maggiore compattazione dei nucleosomi, impedendo così l'accessibilità da parte deifattori di trascrizione.In questo modo l'informazione genetica èeterocromatizzatae ilgeneinteressato è represso. Questi meccanismi che portano alla modificazione dello stato di espressione dei geni, sono stati individuati come fondamentali nell'espressione differenziale di geni nei veri tessuti nell'organismo umano, oltre che nello sviluppo di varie patologie.

Sviluppo embrionale

Ancora prima della formazione dell'embrione,la metilazione svolge un ruolo importante anche nella marcatura dei geni di origine materna e di origine paterna, fenomeno questo, noto comeimprinting (genetica);la differente metilazione di un determinatolocus genicoinfatti, costituisce una sorta di "impronta", che impone l'espressione di uno solo dei due alleli di quel determinato locus, o quello materno o quello paterno. Durante la formazione dei gameti infatti si verifica una differente tipologia di imprinting: nella spermatogenesi si verifica un imprinting di tipo materno, nell'oogenesi invece di tipo paterno. Una volta avvenuta lafecondazione,segue la formazione dellozigote,che subisce una demetilazione generale; da sottolineare è il fatto che, in questa fase, i geni imprinted, mantengono comunque il loro stato di metilazione. Successivamente si ha la formazione dellablastocisti,che subisce un certo grado di metilazione subito prima dell'impianto. Nel momento in cui si ha poi la formazione dei tessuti embrionali, questi ultimi vanno incontro a una fase di metilazione attiva. Infine un ultimo step, prevede uno specifico stato di metilazione, nella fase del differenziamento delle gonadi; si verificherà infatti un pattern di metilazione specifico a seconda che a svilupparsi sia l'ovaioo iltesticolo. Questo processo è anche denominato "riprogrammazione epigenetica". L'importanza della metilazione è stata mostrata nei mutanti, caratterizzati da unoknockoutper laDNA metiltransferasi.Tutti gli embrioni risultanti morirono allo stadio della morula.

Metilazione nello sviluppo postnatale

Una crescente evidenza sta rivelando un ruolo della metilazione nell'interazione di fattori ambientali con l'espressione genica. Differenze nella cura parentale durante i primi 6 giorni di vita nelrattoinducono schemi differenziali di metilazione in alcune regionipromoterinfluenzando in questo modo l'espressione genica.Inoltre, anche processi più dinamici come il segnale delleinterleuchineè stato assodato essere regolato dalla metilazione.

Metilazione e cancro

Lo studio della metilazione è recentemente divenuto un tema centrale nella ricerca. Gli studiosi hanno rilevato come in normali tessuti, la metilazione di ungeneè principalmente localizzata nellaregione codificante,che è povera di CpG. Al contrario, la regione promoter del gene non è metilata, malgrado un'elevata densità di isole CpG nella regione stessa.

Laneoplasiaè caratterizzata da uno "sbilanciamento di metilazione" dove l'ipometilazione delgenomaè accompagnata da locali ipermetilazioni e una crescita nell'espressionedelDNA metiltransferasi(1). Lo stato complessivo di metilazione in una cellula può anche essere un fattore accelerante nella carcinogenesi come suggerisce l'evidenza che l'ipometilazione genomica può portare a instabilità cromosomica e crescenti tassi di mutazione (3). Lo stato di metilazione di alcuni geni può essere usata comebiomarkerper latumorigenesi.Per esempio, l'ipermetilazione delpi-class glutathione S-transferase gene(GSTP1) appare come un affidabile indicatore delcarcinoma della prostata(2).

Nel tumore, le dinamiche di silencing dei geni genetici ed epigenetici sono molto differenti. La mutazione genetica somatica porta a un blocco della produzione di proteine funzionanti dall'allelemutante. Se un vantaggio selettivo è dato alla cellula, le cellule si espandono clonandosi dando origine a un tumore in cui tutte le cellule mancano della capacità di produrre proteine. Al contrario, il silencing del gene mediato epigeneticamente avviene in modo graduale. Ha Inizio con un lento rallentamento della trascrizione, provocando una diminuzione nella protezione delle isole CpG dalla diffusione di eterocromatine laterali e metilazione all'interno dell'isola. Questa perdita risulta nel graduale aumento di siti CpG individuali, che variano tra copie dello stessogenein cellule diverse (6).

Metilazione e difesa dei batteri

IlDNAdellecellule battericheè caratterizzato dal fatto di possedere uno specifico schema di metilazione. Lametilasiè l'enzima che riconosce una specifica sequenza e metila una delle basi (adenosinaocitosina), all'interno o vicino a tale sequenza. I DNA esogeni che vengono introdotti nellacellula,avendo un differente pattern di metilazione, sono degradati daglienzimi di restrizione.Questo agisce come una sorta di primitivosistema immunitario,permettendo ai batteri di proteggersi dalle infezioni deibatteriofagi.Nelle cellule batteriche è stata allora definita la presenza dei caratteristicisistemi di restrizione e modificazione,costituiti da endonucleasi specifiche, che tagliano il DNA esogeno una volta penetrato nella cellula e che agiscono da metilasi, aggiungendo gruppi metile a livello di determinate sequenze, lungo il DNA. Gli enzimi di restrizione sono la base del testRFLP.Con questa tecnica, i genetisti usano varieendonucleasibatteriche di restrizione (enzimi di restrizione) per separare il DNA in siti specifici per rilevare ilpolimorfismodel DNA, utile per l'ingegneria genetica.

Metilazione in chimica

Metilazione di un sale diacido carbossilicoe unfenolousandoiodometano

Il termine metilazione inchimica organicasi riferisce al processo dialchilazioneusato per descrivere l'addizione di un gruppo CH₃.Ciò è comunemente ottenuto con sorgenti metilicheelettrofile-iodometano,dimetilsolfato,dimetilcarbonato- o meno comunemente con i più potenti (e più pericolosi) reagenti metilanti delmetiltrifluorometansolfonatoometilfluorosolfonato( "metile magico" ), che reagisce completamente attraverso lasostituzione nucleofilaS_N2. Per esempio uncarbossilatopuò essere metilato all'ossigeno per dare unesteremetilico, unalcossidoRO^-(ilsaledi unalcol) può altrettanto essere metilato per dare unetere,ROCH₃,o un chetoneenolatopuò essere metilato sul carbonio formando un nuovochetone.

Metilazione dell'acetoneda parte delmetillitio

Alternativamente, la metilazione può implicare l'uso di composti metilicinucleofilicome ilmetillitio(CH₃Li) o ireattivi di Grignard(CH₃MgX). Per esempio, CH₃Li può metilare l'acetone,attaccando ilcarbonile(C=O) per dare illitioalcolato del3-butanolo.

Bibliografia

• Baylin, S.B.; Herman, J.G.; Graff, J.R.; Vertino, P.M.; and Issa, J.P. (1998). Alterations in DNA methylation: a fundamental aspect of neoplasia.Advances in Cancer Research72,141-196.PMID 9338076
• Nakayama, M.; Gonzalgo. M.L.; Yegnasubramanian, S.; Lin, X.; De Marzo, A.M.; and Nelson, W.G. (2004).GSTP1 CpG island hypermethylation as a molecular biomarker for prostate cancer.Journal of Cellular Biochemistry91(3), 540-552.
• Chen, R.Z.; Pettersson, U.; Beard, C.; Jackson-Grusby, L.; and Jaenisch, R. (1998). DNA hypomethylation leads to elevated mutation rates.Nature395(6697), 89-93.PMID 9738504
• March, J.;Advanced Organic Chemistry,5th ed., Wiley, New York, 2001.
• Walsh, Christopher;Chapter 5 - Protein methylationArchiviatoil 28 settembre 2007 inInternet Archive..
• Jones PA, and Baylin SB. The fundamental role of epigenetic events in cancer. Nat. Rev. Genet. 3, 415-428 (2002)

Voci correlate

• Epigenetica
• Giulio Cantoni
• Demetilasi istoniche

Altri progetti

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• Wikizionario
• Wikimedia Commons

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• Wikimedia Commonscontiene immagini o altri file sumetilazione

Collegamenti esterni

• DNA Methylation Database,sumethdb.de.
• Epigenetics News,suepigeneticsnews.com.URL consultato l'11 giugno 2007(archiviato dall'url originaleil 14 maggio 2006).
• Epigenetic Resource and Protocol Centre,suepigeneticstation.com.URL consultato l'11 giugno 2007(archiviato dall'url originaleil 7 gennaio 2007).
• deltaMassesDetection of Methylations after Mass Spectrometry
• The HELP assay,sugreallylab.aecom.yu.edu.URL consultato l'11 giugno 2007(archiviato dall'url originaleil 28 gennaio 2007).